Επιστήμονες κατάφεραν να συνδέσουν τα σπιν των πυρήνων μέσα σε τσιπ πυριτίου, κάνοντας ένα άλμα προς την κατεύθυνση της παραγωγής κβαντικών υπολογιστών μεγάλης κλίμακας.
Οι μηχανικοί στο UNSW (Πανεπιστήμιο της Νέας Νότιας Ουαλίας) σημείωσαν μεγάλη πρόοδο στην κβαντική υπολογιστική δημιουργώντας το φαινόμενο που είναι γνωστό ως “κβαντικές συνδεδεμένες καταστάσεις”.
Στη διάρκεια αυτού του φαινομένου, δύο σωματίδια συνδέονται τόσο ισχυρά που, η συμπεριφορά τους είναι πλέον αδύνατον να περιγραφεί ανεξάρτητα. Η ομάδα το πέτυχε χρησιμοποιώντας τα σπιν δύο ατομικών πυρήνων, μία πηγή που θεωρείται αναγκαία ώστε οι κβαντικοί υπολογιστές, να ξεπεράσουν τους παραδοσιακούς.
Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο Science, σηματοδοτώντας ένα καθοριστικό βήμα προς την ανάπτυξη μεγάλης κλίμακας κβαντικών υπολογιστών, οι οποίοι θεωρούνται ένα από τα πιο φιλόδοξα επιστημονικά και τεχνολογικά ορόσημα του 21ου αιώνα. Σύμφωνα με την επικεφαλής συγγραφέα, τη Δρ. Holly Stemp, η εργασία τους ανοίγει τον δρόμο για την κατασκευή μελλοντικών κβαντικών μικροτσίπ με την ήδη υπάρχουσα τεχνολογία.
“Καταφέραμε να κάνουμε τα πιο καθαρά και πιο απομονωμένα κβαντικά αντικείμενα να επικοινωνήσουν μεταξύ τους, στην κλίμακα στην οποία κατασκευάζονται αυτή τη στιγμή οι τυπικές ηλεκτρονικές συσκευές πυριτίου”, εξηγεί.
Ένα βασικό πρόβλημα στον σχεδιασμό κβαντικών υπολογιστών ήταν η εξεύρεση της σωστής ισορροπίας μεταξύ δύο αντικρουόμενων απαιτήσεων: να προστατεύονται οι ευαίσθητες κβαντικές καταστάσεις από παρεμβολές και θόρυβο, ενώ ταυτόχρονα να επιτρέπεται η αλληλεπίδρασή τους για την εκτέλεση υπολογισμών. Αυτή η πρόκληση εξηγεί γιατί διαφορετικοί τύποι κβαντικού υλικού παραμένουν σε ανταγωνισμό. Ορισμένα συστήματα μπορούν να εκτελούν λειτουργίες πολύ γρήγορα, αλλά είναι εξαιρετικά ευάλωτα στον θόρυβο, ενώ άλλα προστατεύονται καλύτερα από παρεμβολές, αλλά είναι πολύ πιο δύσκολο να ελεγχθούν και να επεκταθούν.
Η ομάδα του UNSW επένδυσε σε μια πλατφόρμα που – μέχρι σήμερα – θα μπορούσε να καταταχθεί στη δεύτερη κατηγορία. Χρησιμοποίησαν την περιστροφή (spin) των ατόμων φωσφόρου, εμφυτευμένων σε τσιπ πυριτίου, για την κωδικοποίηση κβαντικών πληροφοριών.
“Το spin ενός ατομικού πυρήνα, είναι το πιο καθαρό, πιο απομονωμένο κβαντικό αντικείμενο που υπάρχει σε στέρεη μορφή”, εξηγεί o καθηγητής Andrea Morello από τη σχολή ηλεκτρολόγων μηχανικών και τηλεπικοινωνιών του UNSW.
“Τα τελευταία 15 χρόνια, η ομάδα μας πρωτοπόρησε σε όλες τις ανακαλύψεις που έκαναν αυτή την τεχνολογία έναν πραγματικό δυνατό υποψήφιο στον αγώνα για τους κβαντικούς υπολογιστές. Έχουμε ήδη αποδείξει ότι μπορούμε να διατηρήσουμε κβαντικές πληροφορίες για πάνω από 30 δευτερόλεπτα – μια αιωνιότητα στον κβαντικό κόσμο – και να εκτελέσουμε κβαντικές λογικές λειτουργίες με σφάλματα κάτω του 1%.
Ακόμη, ήμασταν οι πρώτοι στον κόσμο που το καταφέραμε σε συσκευή πυριτίου, αλλά με κόστος: Η ίδια απομόνωση που καθιστά τον πυρήνα του ατόμου τόσο καθαρό, κάνει και δύσκολη τη σύνδεσή του σε έναν κβαντικό επεξεργαστή μεγάλης κλίμακας”.
Μέχρι τώρα, ο μόνος τρόπος για να λειτουργήσουν πολλοί ατομικοί πυρήνες ήταν να τοποθετούνται πολύ κοντά ο ένας στον άλλο μέσα σε ένα στερεό και να περιβάλλονται από το ίδιο ηλεκτρόνιο.
“Οι περισσότεροι θεωρούν ότι το ηλεκτρόνιο είναι το πιο μικροσκοπικό υποατομικό σωματίδιο, αλλά σύμφωνα με την κβαντική φυσική, έχει την ικανότητα να επεκτείνεται στον χώρο, ώστε να αλληλεπιδρά με πολλούς ατομικούς πυρήνες”, τονίζει η καθηγήτρια Δρ. Holly Stemp, η οποία πραγματοποίησε την έρευνα στο UNSW και είναι μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο ΜΙΤ, στη Βοστώνη.
“Παρόλα αυτά, το εύρος στο οποίο μπορεί να επεκταθεί το ηλεκτρόνιο είναι αρκετά περιορισμένο. Επιπλέον, η προσθήκη περισσότερων πυρήνων στο ίδιο ηλεκτρόνιο, καθιστά πολύ δύσκολο τον έλεγχο κάθε πυρήνα ξεχωριστά”
Κάνοντας τους ατομικούς πυρήνες να αλληλεπιδρούν
“Μέχρι τώρα, μεταφορικά, οι πυρήνες είναι σαν άτομα τοποθετημένα σε ένα ηχομονωμένο δωμάτιο”, εξηγεί η Δρ. Stemp. “Όσο είναι στο ίδιο δωμάτιο, μπορούν να μιλήσουν ο ένας στον άλλον και, οι συζητήσεις είναι πολύ καθαρές. Αλλά δεν μπορούν να ακούσουν τίποτα από έξω, και υπάρχει περιορισμένος αριθμός ανθρώπων που χωράει μέσα στο δωμάτιο. Αυτός ο τρόπος συνομιλίας δεν ‘κλιμακώνεται’ ”.
“Με τη συγκεκριμένη πρωτοπορία, είναι σαν να έχουμε δώσει στους ανθρώπους τηλέφωνα ώστε να επικοινωνούν με άλλα δωμάτια. Όλα τα δωμάτια, εσωτερικά είναι όμορφα και ήρεμα, αλλά τώρα οι συζητήσεις μπορούν να γίνουν ανάμεσα σε πολλά άτομα, ακόμη και αν βρίσκονται μακριά”.
Τα “τηλέφωνα” είναι στην πραγματικότητα τα ηλεκτρόνια. Ένας ακόμα συγγραφέας της μελέτης, ο Mark van Blankenstein, εξηγεί τι συμβαίνει στο υπό – ατομικό επίπεδο.
“Με την ικανότητα τους να εξαπλώνονται στον χώρο, δύο ηλεκτρόνια μπορούν ν’ ‘αγγίξουν’ το ένα το άλλο από αρκετή απόσταση. Αν κάθε ηλεκτρόνιο συνδυάζεται άμεσα με έναν ατομικό πυρήνα, οι πυρήνες μπορούν να επικοινωνούν μέσω αυτού”.
Πόσο απείχαν οι πυρήνες που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα; “Η απόσταση ανάμεσα στους πυρήνες μας, ήταν περίπου 20 νανόμετρα – το ένα χιλιοστό του πλάτους μιας ανθρώπινης τρίχας”, εξηγεί η Δρ. Stemp.
“Μπορεί να μην ακούγεται πολύ, αλλά σκεφτείτε το εξής: Αν κλιμακώναμε κάθε πυρήνα στο μέγεθος ενός ατόμου, η απόσταση μεταξύ των πυρήνων, θα ήταν περίπου η ίδια με την απόσταση μεταξύ Σίδνεϊ και Βοστώνης!”
Σημείωσε ακόμη πως, 20 νανομέτρα είναι η κλίμακα στην οποία κατασκευάζονται τα σύγχρονα τσιπ πυριτίου που χρησιμοποιούνται καθημερινά σε προσωπικούς υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα.
“Έχετε δισεκατομμύρια τρανζίστορ πυριτίου στην τσέπη ή στην τσάντα σας αυτή τη στιγμή, το καθένα περίπου 20 νανομέτρων σε μέγεθος”. Αυτό είναι το πραγματικό μας τεχνολογικό επίτευγμα: να καταφέρουμε τα πιο καθαρά και απομονωμένα κβαντικά αντικείμενα να “επικοινωνούν” μεταξύ τους στην ίδια κλίμακα με τις υπάρχουσες ηλεκτρονικές συσκευές. Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να προσαρμόσουμε τις διαδικασίες παραγωγής που έχει αναπτύξει η βιομηχανία ημιαγωγών αξίας τρισεκατομμυρίων δολαρίων, για την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών βασισμένων στις περιστροφές ατομικών πυρήνων.”
Παρά την εξωτική φύση των πειραμάτων, οι ερευνητές εξηγούν ότι, οι συσκευές αυτές, παραμένουν ουσιαστικά συμβατές με τον τρόπο που είναι κατασκευασμένα όλα τα σημερινά τσιπ υπολογιστών.
Τα άτομα φωσφόρου εισήχθησαν στο τσιπ από την ομάδα του Καθηγητή David Jamieson στο Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης, χρησιμοποιώντας μια εξαιρετικά καθαρή πλάκα πυριτίου που προσφέρθηκε από τον καθηγητή Kohei Itoh στο πανεπιστήμιο Keio στην Ιαπωνία.
Αφαιρώντας την ανάγκη να συνδέονται με το ίδιο ηλεκτρόνιο οι ατομικοί πυρήνες, η ομάδα του UNSW εξάλειψε το μεγαλύτερο εμπόδιο για την κλιμάκωση των κβαντικών υπολογιστών πυριτίου που βασίζονται σε ατομικούς πυρήνες.
“Η μέθοδός μας είναι εξαιρετικά ανθεκτική και μπορεί να διαβαθμιστεί. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, χρησιμοποιήσαμε μόνο δύο ηλεκτρόνια, αλλά στο μέλλον μπορούμε να προσθέσουμε ακόμη περισσότερα και να τα αναγκάσουμε να πάρουν πιο επίμηκες σχήμα, ώστε να απλωθούν οι πυρήνες ακόμη περισσότερο”, εξηγεί ο καθηγητής Morello.
“Τα ηλεκτρόνια είναι εύκολο να μετακινηθούν και να ‘διαμορφωθούν’, κάτι που σημαίνει ότι οι αλληλεπιδράσεις μπορούν να ενεργοποιούνται και να απενεργοποιούνται γρήγορα και με ακρίβεια. Κι αυτό είναι ακριβώς ό,τι χρειάζεται ένας κβαντικός υπολογιστής που μπορεί να αναβαθμιστεί”.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου